Nieuwe methode bepaalt snelheid DNA-replicatie in individuele cellen

De cellen van ons lichaam moeten zich regelmatig delen om nieuwe cellen aan te maken. Voordat een cel zich deelt, moet eerst het DNA gekopieerd worden. Dit heet DNA-replicatie. Het is hierbij belangrijk dat de DNA-code heel precies en zonder fouten wordt gekopieerd, anders kunnen bijvoorbeeld ziektes als kanker ontstaan.

Tijdens de DNA-replicatie beweegt de ‘kopieermachine’ van de cel zich over de lange DNA-strengen om deze te verdubbelen. Mocht de machine onderweg problemen tegenkomen, dan kan hij even vertragen om te voorkomen dat er kopieerfouten optreden. Het is dus normaal dat de snelheid van de DNA-replicatie varieert, afhankelijk van het moment en het gedeelte van het DNA dat op dat moment gekopieerd wordt.

Elke cel is anders

Wetenschappers begrijpen nog niet volledig waarom de kopieersnelheid verschilt per moment en per DNA-regio. Dat komt omdat het moeilijk in detail te bepalen is hoe de replicatiesnelheid in één enkele cel verandert. Onderzoekers uit de Van Oudenaarden groep hebben nu een techniek ontwikkeld waarmee dit voor het eerst wel mogelijk is: scEdU-seq. Jeroen van den Berg, mede-eerste auteur van de studie, legt uit: “Waar het eerst alleen mogelijk was veel cellen tegelijkertijd te bestuderen en dus een soort gemiddeld beeld van de replicatiesnelheid te krijgen, kunnen we met deze nieuwe techniek de replicatie in afzonderlijke cellen in kaart brengen. Dit maakt het mogelijk te kijken naar de verschillen tussen cellen.”

Haperende kopieermachines

Met de nieuwe techniek ontdekte het team dat bepaalde DNA-regio’s langzamer gekopieerd worden dan andere. Specifiek gold dit voor de plekken op het DNA die op dat moment worden gebruikt voor eiwitproductie. Hier wordt de genetische informatie op het DNA afgelezen om zogenaamde mRNA-moleculen te produceren, die later worden gebruikt als ‘handleiding’ bij het maken van eiwitten. De onderzoekers ontdekten dat het produceren van mRNA tijdens DNA-replicatie zorgt voor DNA-schade en dat deze schade op zijn beurt zorgt voor het vertragen van de DNA-kopieermachines.

Deze ontdekking was het tegenovergestelde van wat de onderzoekers hadden verwacht. “We hadden gedacht dat de DNA-replicatie op deze plekken juist sneller zou gaan in plaats van langzamer. De structuur van deze stukken DNA is namelijk meer open en toegankelijk, omdat er mRNA-productie gaande is. Je zou dan denken dat de kopieermachines er beter en sneller bij kunnen om hun werk te doen,” zegt Vincent van Batenburg, mede-eerste auteur van de studie. In plaats daarvan lijken de DNA-replicatie en productie van mRNA elkaar dus in de weg te zitten.

Nieuwe mogelijkheden

De techniek biedt nieuwe mogelijkheden voor andere wetenschappers die de dynamiek van DNA-replicatie willen bestuderen in individuele cellen. De Van Oudenaarden groep wil de methode ook graag uitbreiden, zodat het gebruikt kan worden om DNA-replicatie te onderzoeken in een ontwikkelend embryo of tumorweefsel. Tot slot zal de scEdU-seq-techniek binnenkort ook worden aangeboden als service aan andere wetenschappers via de Single-Cell Core van het Hubrecht Instituut.

Publicatie

Quantifying DNA replication speeds in single cells by scEdU-seq. Jeroen van den Berg*, Vincent van Batenburg*, Christoph Geisenberger, Rinskje B. Tjeerdsma, Anchel de Jaime-Soguero, Sergio P. Acebrón, Marcel A.T.M. van Vugt en Alexander van Oudenaarden. Nature Methods, 2024.

* Deze auteurs hebben evenveel bijgedragen.